上海交大齐飞团队：燃烧诊断学

燃烧是一门历久弥新的学科。从人类第一次钻木取火到今天的上天摘星揽月，燃烧对于人类社会的意义体现在生产生活的各个方面。当今世界，化石燃料、生物质燃料、氢气、氨气等多种传统燃料与新型燃料的燃烧为人类社会提供了80%以上的能源，服务于能源、运输、工业、国防等诸多领域。认识燃烧现象，理解燃烧机理，进而调控并优化燃烧过程，不但可以提高现有燃烧装置的燃烧效率，也可以降低燃烧过程中的温室气体及各类污染物排放，为全球碳中和的宏伟目标做出贡献。

▲ 射流火焰的二维瑞利散射信号强度和火焰温度分布

燃烧的本质是伴有流动的快速放热化学反应，其典型特征是多时空尺度内流动、传质传热、化学反应等多种物理化学现象的高度耦合，这一特点为研究和理解燃烧问题带来了巨大挑战。为了解释复杂燃烧现象背后的基础科学问题，通常需要借助燃烧诊断方法对燃烧涉及的温度、组分、速度等关键物理化学参数进行测量。而在高温、高压、高流速的燃烧环境下，大部分传统的接触式测量方法难以直接使用，这些方法本身也会对燃烧造成扰动，使测量结果失真。

▲ 以7.5kHz 拍摄的归一化的PLIF 图像系列

(相邻两张图像之间的时间间隔为133μs)

相比之下，基于光学测量的燃烧诊断方法可以获得无扰动、高时空分辨的测量结果。早在1860 年，古斯塔夫•罗伯特•基尔霍夫和罗伯特•威廉•本生就通过实验观测发现本生火焰中的多条谱线与太阳光中的夫琅禾费线高度相似。此后，针对火焰发射光谱的化学分析研究开始受到关注。20 世纪初，随着量子力学的蓬勃发展，人们对火焰辐射光谱背后涉及的能级跃迁等基本原理有了更深入的理解，并逐渐开始借助火焰发射光谱研究燃烧问题。早期基于光学测量的燃烧诊断方法研究以发射光谱为主，这主要受限于测量光源高度依赖火焰自发光和自然光。20世纪中叶，随着激光技术的发展，发射光谱、吸收光谱、散射光谱等光学方法开始广泛应用于燃烧诊断研究中，激光重复频率、激光功率、波长可调谐范围等性能参数的提升也进一步拓展了上述燃烧诊断方法的测量范围。此外，同步辐射等先进光源的出现也极大地推动了传统接触式燃烧诊断技术的革新与进步。

燃烧诊断学是上海交通大学齐飞科研团队的主要研究方向之一。在过去20 年里，团队首先发展了同步辐射真空紫外光电离质谱研究方法在燃烧诊断研究领域的应用。近年来，又发展了多种高频激光成像/光谱测量方法，针对平面火焰、旋流火焰等基础燃烧及各类高温高压复杂燃烧系统中的实际燃烧应用开展了大量实验及理论研究工作。

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《燃烧诊断学》（齐飞等著. 北京 : 科学出版社 , 2024.6）主要以作者的研究成果为基础，并结合国内外其他同行的相关研究成果，根据燃烧诊断方法基于的技术原理差异，对各类方法的技术特点、应用场景及发展前景进行总结，以使相关领域同行能够根据自身测量需求，较为快速准确地选择合适的燃烧诊断方法。

本书旨在系统全面地介绍典型燃烧诊断方法的基本原理、实验技术及发展趋势，共分为9 章，主要按照燃烧诊断学基于的技术原理来分类组织全书内容。

• 第1 章为绪论，主要对燃烧诊断的研究意义、研究历史、研究方法和燃烧诊断所需的硬件基础进行概述。

• 第2 章主要介绍与燃烧诊断学研究密切相关的光谱基础知识、基本概念和定律，为将要开展的吸收光谱、发射光谱和散射光谱法提供必需的知识储备。

• 第3 章主要介绍吸收光谱在燃烧诊断应用中的工作原理、应用范围及其发展。

• 第4 章主要介绍基于发射光谱的光学诊断方法的基本原理与应用，主要涵盖火焰化学自发光、激光诱导荧光和激光诱导磷光等测量方法。

• 第5 章主要介绍基于散射光谱的诊断方法，主要涵盖瑞利散射、拉曼散射、简并四波混频等测试技术。

• 第6 章主要介绍粒子图像测速方法的理论基础、实验方法及应用实例。

• 第7 章总结归纳了几种成像测量技术中包含的图像分析及可视化方法，并对其研究进展和应用进行了介绍。

• 第8 章主要介绍分子束-光电离质谱技术及其在燃烧诊断中的应用。

• 第9 章主要介绍燃烧诊断在动力装置中的典型应用，简介了各种诊断方法在包括内燃机、航空发动机和火箭发动机等实际动力机械研究中的应用实例及未来发展趋势。

该书作者长期致力于燃烧诊断学研究，在燃烧诊断方法的发展、燃烧反应动力学、燃烧不稳定性原理的探究，以及实际工程燃烧系统的应用等方面都取得了一系列具有国际影响的研究成果，并在上海交通大学多年讲授相关课程。在这些经验积累的基础上，作者历经五年组织撰写了《燃烧诊断学》一书，旨在向读者系统介绍燃烧领域的各种光谱和质谱等先进诊断技术，期望通过深入浅出的阐述，使初学者能够快速掌握这些诊断技术的基本原理，了解不同方法的优缺点，为未来从事相关基础研究和实践应用打下良好的基础。

与已有的燃烧诊断学著作相比，作者面向近年来愈加广泛应用的成像测量技术，详细介绍了面向燃烧诊断的图像分析及可视化方法，并针对光学诊断技术难以分辨关键中间产物的缺陷，补充介绍了分子束-光电离质谱技术及其在燃烧诊断中的应用。这样的完整结构使读者能够更加全面地了解各种燃烧诊断方法的特点，为他们在未来开展相关研究和应用提供了重要参考。

杨学明

中国科学院院士

2024 年5 月10 日于深圳

本文摘编自《燃烧诊断学》（齐飞等著. 北京 : 科学出版社 , 2024.6）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-078844-3

责任编辑：范运年

本书首先介绍燃烧诊断学的基本概念与历史沿革，继而对各类燃烧诊断方法基于的共同性原理进行详细介绍。针对具体燃烧诊断方法，本书首先介绍了光谱基本理论，随后介绍基于吸收光谱、发射光谱、散射光谱及粒子图像测速等常见燃烧诊断方法的理论基础、实验方法和应用实例；详细介绍了面向燃烧诊断技术的图像分析及可视化方法，其次还介绍了分子束-光电离质谱技术及其在燃烧诊断中的应用；最后，本书介绍了多种燃烧诊断技术在典型动力装置中的应用及未来发展趋势。

本书可作为燃烧诊断学、燃烧学、反应动力学等领域研究人员的专业参考书，也可作为工程热物理、动力工程、物理化学、能源化学、航空动力学等学科高年级本科生和研究生的参考书。

（本文编辑：刘四旦）

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